Гонка за созданием лучшие батареи для электромобиля ( 5 фото )
- 04.11.2019
- 2 540
Ученый из UCL (Университетский колледж Лондона) Дан Бретт занимается передовыми технологиями электромобилестрояния. Для него не так интересен внешний вид электрокара, как то, что находится внутри него - литий-ионная батарея.
Электрические транспортные средства, такие как Tesla, зависят от батарей. Обычные автопроизводители, переводящие свои производственные линии с двигателей внутреннего сгорания на электрические трансмиссии, используют литий-ионную технологию благодаря ее доступности.
Будущее аккумуляторов
МЭА предсказывает новый стремительный рост производства аккумуляторов, вызванного бурным ростом индустрии электромобилей, который к 2030 году должен достичь 125 миллионов автомобилей во всем мире.
Бретт утверждает, что такие батареи не являются идеальными для всех легковых и грузовых автомобилей. «Для автомобилей небольшого размера - они дают нормальный запас хода ... но если вы используете грузовой автомобиль, я думаю, что эта батарея подведет вас», - говорит он.
Хотя литий-ионные батареи будут играть важную роль в будущем автомобильной промышленности, проблемы с небольшим запасом хода, безопасностью и долговечностью означают, что ученые вынуждены искать альтернативный аккумулятор для электромобилей будущего.
В сентябре Институт Фарадея, финансируемый правительством Великобритании исследовательский центр в Харвелле, объявил о выделении 55 миллионов фунтов стерлингов на проекты в области аккумуляторных батарей в попытке создать технологию, которая может лечь в основу нового электромобиля. Инвестиции направлены в консорциум пяти университетов в Шеффилде, Бате, Оксфорде, Лондоне и Сент-Эндрюсе.
«Мы работаем над всем, от материалов и химии до производства», - говорит Нил Моррис, исполнительный директор Института Фарадея. «Я уверен, что мы сможем сделать прорывы, которые снизят стоимость и улучшат производительность батарей».
В UCL, где Бретт возглавляет инновационные разработки, проводится тестирование множества аккумуляторов. Одним из новых фаворитов являются твердотельные батареи. Эта технология включает замену жидкой ключевой части батареи, известной как электролит, на твердое вещество.
В литий-ионных батареях жидкий раствор лития используется в качестве электролита, но использование жидкости увеличивает риск воспламенения. Заменив его твердым материалом, таким как керамика или стекло, можно избежать пожара, в то время как аккумулятор заряжается быстрее.
Эта технология привлекла внимание такой компании, как Dyson, которая, несмотря на отказ от своего проекта электромобиля, продолжит вкладывать не менее 1 млрд фунтов стерлингов в исследования твердотельных аккумуляторов в своем кампусе в Малмсбери.
У твердотельных батарей существуют нерешенные проблемы. Еще не найден подходящий проводник, который может эффективно заменить жидкий электролит. «Твердотельная батарея действительно безопасна, но она и действительно дорога, поэтому, вероятно, она не появится но рынке в течение некоторого времени», - говорит Бретт.
Но не все упирается в твердотельную батарею. Университеты, такие как UCL, также рассматривают другие технологии, такие как натриевые и литий-серные батареи. Натриевые батареи представляют особый интерес для исследователей, так как изобилие натрия по сравнению с литием во всем мире означает, что батареи потенциально могут быть дешевле.
По словам профессора Пола Шеринга из химико-технологического отдела Калифорнийского университета, концентрация металла в таких местах, как Южная Америка, может привести к дефициту лития, но доступность натрия означает, что существует решение проблемы с истощением ресурсов.
Вивас Кумар из компании Benchmark Mineral Intelligence говорит, что автомобилестроительные компании исследуют аккумуляторные технологии, которые могут иметь серьезные преимущества.
Кобальт, основной элемент современных батарей, является дорогим металлом, который часто поставляется из опасных шахт в Демократической Республике Конго.
Уменьшение количества кобальта в аккумуляторах с никелем может дать тройную выгоду: экономическая эффективность, повышение плотности энергии, уход от проблем с добычей кобальта.
«Причина проста: когда у вас катод с более высоким содержанием никеля, плотность энергии выше. Большая плотность энергии имеет значение, потому что с одним и тем же аккумулятором вы можете ездить дольше», - говорит Кумар.
Однако путь к промышленному производству многих из этих технологий может быть долгим. Например коммерциализация литий-ионных аккумуляторов происходила в течение длительного периода времени, которую возглавили японские фирмы Panasonic и Asahi Kasei.
«Литий-ионный аккумулятор является фантастической технологией, которая достигла повсеместного применения, но потребовалось некоторое время, чтобы она закрепилась», - говорит Ширинг.
Некоторых компании имеют проблемы на этапе коммерциализации новых технологий. Компания FTSE 100 Джонсона Матти сделала крупнейшие инвестиции в разработку «усиленного литий-никелевого оксида» - или eLNO - материала, используемого для изготовления аккумуляторного катода. Это основной ограничивающий фактор в работе батареи.
Исполнительный директор Роберт Маклеод говорит, что хоть катод лишь малая часть аккумулятора, но она составляет 40% его стоимости. Поскольку на долю аккумуляторов приходится четверть стоимости электромобиля, становится очевидным, что, если у Джонсона Мэтти все выйдет - победит его технология.
Дополнительной проблемой, стоящей перед новой аккумуляторной технологией, является разработка гигафабрики. Общие производственные мощности литий-ионных аккумуляторов должны достичь 1211 ГВт*ч к 2025 году.
Быстрое увеличение емкости уже привело к падению цен на литий-ионные аккумуляторы на 85% в период между 2010 и 2018 годами, что означает, что покупатели аккумуляторов могут посчитать более удобным с экономической точки зрения выбор литий-ионных аккумуляторов по сравнению с аккумуляторами других производителей.
В конечном счете, такие исследователи, как Ширинг, полагают, что спрос на новые типы батарей будет создаваться разнообразным использованием батарей в автомобильной промышленности.
Электрические транспортные средства, такие как Tesla, зависят от батарей. Обычные автопроизводители, переводящие свои производственные линии с двигателей внутреннего сгорания на электрические трансмиссии, используют литий-ионную технологию благодаря ее доступности.
Будущее аккумуляторов
МЭА предсказывает новый стремительный рост производства аккумуляторов, вызванного бурным ростом индустрии электромобилей, который к 2030 году должен достичь 125 миллионов автомобилей во всем мире.
Бретт утверждает, что такие батареи не являются идеальными для всех легковых и грузовых автомобилей. «Для автомобилей небольшого размера - они дают нормальный запас хода ... но если вы используете грузовой автомобиль, я думаю, что эта батарея подведет вас», - говорит он.
Хотя литий-ионные батареи будут играть важную роль в будущем автомобильной промышленности, проблемы с небольшим запасом хода, безопасностью и долговечностью означают, что ученые вынуждены искать альтернативный аккумулятор для электромобилей будущего.
В сентябре Институт Фарадея, финансируемый правительством Великобритании исследовательский центр в Харвелле, объявил о выделении 55 миллионов фунтов стерлингов на проекты в области аккумуляторных батарей в попытке создать технологию, которая может лечь в основу нового электромобиля. Инвестиции направлены в консорциум пяти университетов в Шеффилде, Бате, Оксфорде, Лондоне и Сент-Эндрюсе.
«Мы работаем над всем, от материалов и химии до производства», - говорит Нил Моррис, исполнительный директор Института Фарадея. «Я уверен, что мы сможем сделать прорывы, которые снизят стоимость и улучшат производительность батарей».
В UCL, где Бретт возглавляет инновационные разработки, проводится тестирование множества аккумуляторов. Одним из новых фаворитов являются твердотельные батареи. Эта технология включает замену жидкой ключевой части батареи, известной как электролит, на твердое вещество.
В литий-ионных батареях жидкий раствор лития используется в качестве электролита, но использование жидкости увеличивает риск воспламенения. Заменив его твердым материалом, таким как керамика или стекло, можно избежать пожара, в то время как аккумулятор заряжается быстрее.
Эта технология привлекла внимание такой компании, как Dyson, которая, несмотря на отказ от своего проекта электромобиля, продолжит вкладывать не менее 1 млрд фунтов стерлингов в исследования твердотельных аккумуляторов в своем кампусе в Малмсбери.
У твердотельных батарей существуют нерешенные проблемы. Еще не найден подходящий проводник, который может эффективно заменить жидкий электролит. «Твердотельная батарея действительно безопасна, но она и действительно дорога, поэтому, вероятно, она не появится но рынке в течение некоторого времени», - говорит Бретт.
Но не все упирается в твердотельную батарею. Университеты, такие как UCL, также рассматривают другие технологии, такие как натриевые и литий-серные батареи. Натриевые батареи представляют особый интерес для исследователей, так как изобилие натрия по сравнению с литием во всем мире означает, что батареи потенциально могут быть дешевле.
По словам профессора Пола Шеринга из химико-технологического отдела Калифорнийского университета, концентрация металла в таких местах, как Южная Америка, может привести к дефициту лития, но доступность натрия означает, что существует решение проблемы с истощением ресурсов.
Вивас Кумар из компании Benchmark Mineral Intelligence говорит, что автомобилестроительные компании исследуют аккумуляторные технологии, которые могут иметь серьезные преимущества.
Кобальт, основной элемент современных батарей, является дорогим металлом, который часто поставляется из опасных шахт в Демократической Республике Конго.
Уменьшение количества кобальта в аккумуляторах с никелем может дать тройную выгоду: экономическая эффективность, повышение плотности энергии, уход от проблем с добычей кобальта.
«Причина проста: когда у вас катод с более высоким содержанием никеля, плотность энергии выше. Большая плотность энергии имеет значение, потому что с одним и тем же аккумулятором вы можете ездить дольше», - говорит Кумар.
Однако путь к промышленному производству многих из этих технологий может быть долгим. Например коммерциализация литий-ионных аккумуляторов происходила в течение длительного периода времени, которую возглавили японские фирмы Panasonic и Asahi Kasei.
«Литий-ионный аккумулятор является фантастической технологией, которая достигла повсеместного применения, но потребовалось некоторое время, чтобы она закрепилась», - говорит Ширинг.
Некоторых компании имеют проблемы на этапе коммерциализации новых технологий. Компания FTSE 100 Джонсона Матти сделала крупнейшие инвестиции в разработку «усиленного литий-никелевого оксида» - или eLNO - материала, используемого для изготовления аккумуляторного катода. Это основной ограничивающий фактор в работе батареи.
Исполнительный директор Роберт Маклеод говорит, что хоть катод лишь малая часть аккумулятора, но она составляет 40% его стоимости. Поскольку на долю аккумуляторов приходится четверть стоимости электромобиля, становится очевидным, что, если у Джонсона Мэтти все выйдет - победит его технология.
Дополнительной проблемой, стоящей перед новой аккумуляторной технологией, является разработка гигафабрики. Общие производственные мощности литий-ионных аккумуляторов должны достичь 1211 ГВт*ч к 2025 году.
Быстрое увеличение емкости уже привело к падению цен на литий-ионные аккумуляторы на 85% в период между 2010 и 2018 годами, что означает, что покупатели аккумуляторов могут посчитать более удобным с экономической точки зрения выбор литий-ионных аккумуляторов по сравнению с аккумуляторами других производителей.
В конечном счете, такие исследователи, как Ширинг, полагают, что спрос на новые типы батарей будет создаваться разнообразным использованием батарей в автомобильной промышленности.
Материал взят: Тут